CN114447972B - 既有牵引变压器的贯通柔性牵引变电所及其保护配置方法 - Google Patents

既有牵引变压器的贯通柔性牵引变电所及其保护配置方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114447972B
CN114447972B CN202111575606.4A CN202111575606A CN114447972B CN 114447972 B CN114447972 B CN 114447972B CN 202111575606 A CN202111575606 A CN 202111575606A CN 114447972 B CN114447972 B CN 114447972B
Authority
CN
China
Prior art keywords
phase
current
voltage
transformer
protection
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202111575606.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114447972A (zh
Inventor
何晓琼
张洪金
黄通跃
黄建
赵敏
韩鹏程
曾理
杨顺风
吕晓琴
马兰
陆可
林静英
舒泽亮
高仕斌
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southwest Jiaotong University
Original Assignee
Southwest Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southwest Jiaotong University filed Critical Southwest Jiaotong University
Priority to CN202111575606.4A priority Critical patent/CN114447972B/zh
Publication of CN114447972A publication Critical patent/CN114447972A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114447972B publication Critical patent/CN114447972B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/36—Arrangements for transfer of electric power between ac networks via a high-tension dc link
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60M—POWER SUPPLY LINES, AND DEVICES ALONG RAILS, FOR ELECTRICALLY- PROPELLED VEHICLES
    • B60M3/00—Feeding power to supply lines in contact with collector on vehicles; Arrangements for consuming regenerative power
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/22—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for distribution gear, e.g. bus-bar systems; for switching devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/26—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/26—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured
    • H02H7/261—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured involving signal transmission between at least two stations
    • H02H7/262—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured involving signal transmission between at least two stations involving transmissions of switching or blocking orders
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc
    • H02M5/42—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/44—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac
    • H02M5/453—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/458—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M5/4585—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having a rectifier with controlled elements

Abstract

本发明提供了一种既有牵引变压器的贯通柔性牵引变电所及其保护配置方法。包括既有牵引变压器、匹配变压器、三相‑单相变流器以及若干个断路器，本发明的贯通柔性牵引变电所能在三相‑单相变流器出现严重故障后退回到既有供电方式。本发明减少既有牵引变压器副边电压不平衡问题对三相‑单相变流器的影响，同时提高贯通柔性牵引变电所供电区间的供电可靠性。本发明在匹配变压器保护中加入负序过电流保护，提高了变压器在非对称故障时的安全性；且在柔性牵引变电所三相‑单相变流器功率模块输出侧设置重构开关，在模块发生非短路故障时，可通过驱动脉冲封锁与重构开关实现变流器地自愈重构，实现柔性牵引变电所的安全可靠运行。

Description

既有牵引变压器的贯通柔性牵引变电所及其保护配置方法
技术领域
本发明属于牵引供电技术领域，尤其涉及一种既有牵引变压器的贯通柔性牵引变电所及其保护配置方法。
背景技术
目前，国内既有电气化铁路中采用三相-两相的供电方式，变电所通过三相电网取电，经过牵引变压器降压后分为两个供电臂输出。由于两个供电臂之间、两个变电所之间的电压幅值、相位和频率不相同，因此在两供电臂间与两个牵引变电所之间均存在电分相。电分相的存在制约了线路列车的运行速度，存在着安全隐患；此外，两个变电所之间的容量不能互为备用，因此每个变电所都需要准备备用变压器，造成了一定的容量浪费，且变压器利用率低。
我国许多电气化铁路于20世纪90年代开通，至今已投用二十余年，在既有供电系统下我国许多线路的供电能力十分饱满。随着重载铁路的发展，众多线路对铁路系统的供电能力、安全性和经济性提出了更高的要求。现阶段牵引变电所设计容量难以满足未来线路运力需求。随着电力电子器件逐渐成熟，可在传统牵引变电所中投入全控型器件来控制两供电臂之间、两变电所之间的电压幅值、相位、频率一致，从而能够取消两供电臂间和变电所间的电分相，提高铁路列车的载荷能力。在传统铁路线路的既有牵引变电所中投入电力电子设备进行升级改造能够提高其运力、满足未来线路运量需求，同时能够解决单相负荷给三相电网带来的谐波、无功和负序问题，减少电网对铁路系统的罚款，提高列车运行经济效益。
虽然在高压直流输电工程中已有电力电子变流器投入使用，但是在铁路牵引网中还少有应用。如何根据既有线路进行改造、投入何种电力电子设备来取消铁路供电系统的电分相仍是当前的研究热点问题。新型贯通柔性牵引变电所以变压器和变流器为核心设备，传统牵引变电所既有的保护配置不再适用，为保证贯通柔性牵引变电所的安全运行，还需研究适用于贯通柔性牵引变电所的保护配置方法。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种既有牵引变压器的贯通柔性牵引变电所及其保护配置方法，解决了牵引网侧电压幅值相位不可控、传统牵引变压器利用率低、输入网侧负序电流大和传统牵引变电所的保护方法不适配的问题。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
本方案提供一种既有牵引变压器的贯通柔性牵引变电所，其特征在于，包括既有牵引变压器、匹配变压器、三相-单相变流器以及若干个断路器；
所述既有牵引变压器原边三相分别与三相电网A相、B相和C相一一对应连接，所述既有牵引变压器副边b相与钢轨地连接，所述既有牵引变压器副边a相通过断路器QF1与贯通柔性牵引变电所母线A连接，所述既有牵引变压器副边c相通过断路器QF3与母线B连接；所述匹配变压器原边A相、B相和C相通过断路器QF6与既有牵引变压器副边a相、b相和c相一一对应连接，所述匹配变压器副边包含有若干组绕组，所述匹配变压器副边的各绕组均与所述三相-单相变流器连接，所述三相-单相变流器的输出端分别与贯通柔性牵引变电所母线A和钢轨连接，所述贯通柔性牵引变电所母线A与牵引网连接。
本发明的有益效果是：本发明中贯通柔性牵引变电所的结构包括既有牵引变压器、匹配变压器和三相-单相变流器，所述牵引变电所能够在三相-单相变流器出现严重故障后退回到既有供电方式。本发明提供的贯通柔性牵引变电所的结构能够减少既有牵引变压器副边电压不平衡问题对三相-单相变流器的影响，同时能够提高贯通柔性牵引变电所供电区间的供电可靠性。
进一步地，所述匹配变压器原边为三角形接绕组，所述匹配变压器副边各绕组均为星形接绕组；
各所述三相-单相变流器包括子模块C1～Cn、旁路开关Qc1～Qcn和输出滤波电路；所述输出滤波电路与输出断路器QF8连接；
各所述子模块的结构均相同，各所述子模块均包括依次连接的输入滤波电路、三相整流电路、支撑电容以及单相逆变电路；各所述子模块的输出与旁路开关Qc1～Qcn一一对应并联；所述子模块输出端级联后分别与贯通柔性牵引变电所母线A和钢轨连接，所述母线A与牵引网连接；各所述输入滤波电路连接至各绕组的a相、b相和c相；
各所述输入滤波电路包括三个数值相同的电感LZ，所述三个电感LZ的一端分别连接至所述匹配变压器副边的a相、b相和c相；所述三个电感LZ的另一端分别与所述三相整流电路的A相、B相和C相连接。
上述进一步方案的有益效果是：通过采用输入并联输出级联的三相-单相变流器，三相电压转化为单相可控的27.5kV电压，使牵引网电压的幅值相位可控，从而可以取消两供电臂之间的电分相；各所述子模块的输出与旁路开关并联连接，当某一子模块出现故障无法工作时，可以通过闭合该旁路开关使该子模块旁路，由其余子模块共同输出单相27.5kV电压，提高了系统供电的可靠性。同时，匹配变压器的原边为三角形绕组，各所述副边绕组均为星形绕组可实现既有系统与新建系统间的很好衔接；无需对既有牵引变压器进行改造；匹配变压器副边绕组为星形接，工程上容易制作。
再进一步地，所述既有牵引变压器的贯通柔性牵引变电所包括电子供电模式和传统供电模式：
所述电子供电模式为：针对所述贯通柔性牵引变电所处于正常状态时打开断路器QF1和断路器QF3并闭合断路器QF6和断路器QF8，则所述既有牵引变压器通过所述匹配变压器向所述三相-单相变流器提供三相电能；
所述传统供电模式为：针对所述贯通柔性牵引变电所处理故障状态时，断开断路器QF6和断路器QF8，同时闭合断路器QF1和断路器QF3，则所述既有牵引变压器副边a相和c相分别接入母线A和母线B。
上述进一步方案的有益效果是：可以提高贯通柔性牵引变电所的供电可靠性、保证对列车的稳定供电，并能够提高既有牵引变压器的利用率，减少经济浪费。
再进一步地，所述三相整流电路的电压不平衡控制方法包括以下步骤：
A1、建立所述匹配变压器副边电压不平衡情况下三相整流电路的数学模型；所述步骤A1包括以下步骤：
A101、构建所述匹配变压器副边三相电压在两相静止αβ坐标系中的表达式，并根据基尔霍夫电压定律构建两相静止αβ坐标系下的所述子模块三相整流电路的数学模型：
Figure GDA0003891456250000031
式中，Eαβ表示两相静止αβ坐标系下匹配变压器的副边电压复矢量，Vαβ和Iαβ分别表示两相静止αβ坐标系下子模块中三相整流电路交流侧端口电压和电流的复矢量，Lz表示输入滤波电路中的电感，Rz表示输入滤波电感Lz中实际含有的电阻，
Figure GDA0003891456250000032
表示变量对时间的导数；
A102、利用两相旋转dq坐标系下的正负序分量表示所述匹配变压器副边电压复矢量Eαβ和所述三相整流电路交流侧端口电压电流的复矢量Vαβ、Iαβ：
Figure GDA0003891456250000033
Figure GDA0003891456250000034
Figure GDA0003891456250000035
Figure GDA0003891456250000041
式中，ejωt、e-jωt分别表示αβ坐标轴在逆时针方向上超前、滞后dq坐标轴ωt角度，
Figure GDA0003891456250000042
Figure GDA0003891456250000043
分别表示两相旋转dq坐标系中匹配变压器副边电压的正序、负序分量，
Figure GDA0003891456250000044
和
Figure GDA0003891456250000045
分别表示两相旋转dq坐标系中子模块三相整流电路交流侧端口电压、电流的正序负序复矢量，
Figure GDA0003891456250000046
和
Figure GDA0003891456250000047
分别表示子模块三相整流电路交流侧端口电压Vabc在两相旋转dq坐标系中d轴上的正序矢量、q轴上的正序矢量、d轴上的负序矢量和q轴上的负序矢量，
Figure GDA0003891456250000048
Figure GDA0003891456250000049
和
Figure GDA00038914562500000410
分别表示子模块三相整流电路交流侧端口电流在两相旋转dq坐标系中d轴上的正序矢量、q轴上的正序矢量、d轴上的负序矢量和q轴上的负序矢量，j表示虚轴分量；
A103、根据步骤A101中的数学模型和A102中所述复矢量
Figure GDA00038914562500000411
和
Figure GDA00038914562500000412
计算得到两相旋转dq坐标系中匹配变压器副边输入不对称电压下三相整流电路的数学模型：
Figure GDA00038914562500000413
式中，ω表示三相电网电压的角频率，
Figure GDA00038914562500000414
和
Figure GDA00038914562500000415
分别表示为匹配变压器副边电压在两相旋转dq坐标系中d轴和q轴的正序矢量，
Figure GDA00038914562500000416
和
Figure GDA00038914562500000417
分别表示匹配变压器副边电压在两相旋转dq坐标系中d轴和q轴的负序矢量，
Figure GDA00038914562500000418
和
Figure GDA00038914562500000419
分别表示子模块三相整流电路交流侧端口电压在两相旋转dq坐标系中d轴和q轴的正序矢量，
Figure GDA00038914562500000420
和
Figure GDA00038914562500000421
分别表示三相整流电路交流侧端口电压在两相旋转dq坐标系中d轴和q轴的负序矢量，Rz表示输入滤波电感Lz中实际含有的电阻；
A2、通过建立匹配变压器副边瞬时功率与其电压电流的关系式，并根据所述三相整流电路的数学模型，选取所述三相整流电路交流侧端口电压电流正序分量和负序分量控制指令；所述步骤A2包括以下步骤：
A201、利用匹配变压器副边电压电流的正负序分量建立匹配变压器副边瞬时有功功率p(t)和无功功率q(t)的数学方程：
Figure GDA0003891456250000051
Figure GDA0003891456250000052
Figure GDA0003891456250000053
式中，po和qo分别表示所述匹配变压器副边有功功率和无功功率的平均值，pc2和qc2分别表示所述匹配变压器副边二次有功功率和无功功率的余弦函数峰值，ps2和qs2分别表示所述子匹配变压器副边二次有功功率和无功功率的正弦函数峰值，
Figure GDA0003891456250000054
和
Figure GDA0003891456250000055
分别表示匹配变压器副边电压在两相旋转dq坐标系中d轴上的电压正序分量、q轴上的电压正序分量、d轴上的电压负序分量和q轴上的电压负序分量；
A202、根据所述匹配变压器副边瞬时有功功率、无功功率和匹配变压器副边电压电流的正负序分量的正负序分量，分别选取四个功率指令
Figure GDA0003891456250000056
和
Figure GDA0003891456250000057
并根据矩阵逆变换得到三相整流电路输入电流的正负序分量控制指令
Figure GDA0003891456250000058
和
Figure GDA0003891456250000059
的表达式：
Figure GDA00038914562500000510
Figure GDA00038914562500000511
Figure GDA00038914562500000512
式中，
Figure GDA00038914562500000513
和
Figure GDA00038914562500000514
分别表示子模块三相整流电路交流侧电流在两相旋转dq坐标系中d轴上的电流正序分量指令、q轴上的电流正序分量指令、d轴上的电流负序分量指令和q轴上的电流负序分量指令；
Figure GDA0003891456250000061
为子模块三相整流电路输出直流电压的参考值，KuP和KuI分别为子模块三相整流电路电压外环PI控制器的比例系数和积分系数，vdc表示直流侧实际电压大小，
Figure GDA0003891456250000062
表示积分运算；
A203、根据步骤A103中三相整流电路的数学模型，加入前馈电流解耦，得到所述匹配变压副边电压电流正序负序分量控制指令
Figure GDA0003891456250000063
和
Figure GDA0003891456250000064
Figure GDA0003891456250000065
Figure GDA0003891456250000066
式中，KiP和KiI分别表示子模块三相整流电路电流内环PI控制器的比例系数和积分系数，s表示拉普拉斯变换中的微分因子，
Figure GDA0003891456250000067
表示积分环节；
A3、根据步骤A203中子模块三相整流电路交流侧端口电压正序负序分量控制指令
Figure GDA0003891456250000068
Figure GDA0003891456250000069
的表达式，提取所述匹配变压器副边电压电流的正序分量和负序分量对所述匹配变压器副边电压电流正序、负序分量分别进行控制，完成三相整流电路电压不平衡控制；所述步骤A3包括以下步骤：
A301、将所述匹配变压器副边三相电压电流在两相静止αβ坐标系中表达：
Figure GDA00038914562500000610
Figure GDA00038914562500000611
式中，eα(t)和eβ(t)分别表示匹配变压器副边三相电压在α轴和β轴上的瞬时值，egp和egn分别表示匹配变压器副边三相电压正序和负序分量的峰值，iα(t)和iβ(t)分别表示匹配变压器副边三相电流在α轴和β轴上的瞬时值，igp和ign分别表示匹配变压器副边三相电流正序和负序分量的峰值，θp和θn分别表示匹配变压器副边三相电压电流正序和负序分量在两相静止αβ坐标系中的相位初始角；
A302、根据所述匹配变压器副边三相电压电流在两相静止αβ坐标系中的表达式，将α轴和β轴上电压瞬时值延迟1/4周期并进行反变换，分别计算得到匹配变压器副边三相电压在两相静止αβ坐标系中的正序分量和负序分量：
Figure GDA0003891456250000071
Figure GDA0003891456250000072
其中，
Figure GDA0003891456250000073
和
Figure GDA0003891456250000074
分别表示匹配变压器副边三相电压在两相静止αβ坐标系中α轴上的正序分量、β轴上的正序分量、α轴上的负序分量和β轴上的负序分量，
Figure GDA0003891456250000075
和
Figure GDA0003891456250000076
分别表示子模块三相整流电路的输入电流在两相静止αβ坐标系中α轴上的正序分量、β轴上的正序分量、α轴上的负序分量和β轴上的负序分量，eα(t)、eβ(t)、
Figure GDA0003891456250000077
和
Figure GDA0003891456250000078
分别表示匹配变压器副边三相电压在α轴上的瞬时值、β轴上的瞬时值、α轴上延时四分之一周期时刻的瞬时值和β轴上延时四分之一周期时刻的瞬时值，iα(t)、iβ(t)、
Figure GDA0003891456250000079
和
Figure GDA00038914562500000710
分别表示匹配变压器副边三相电流在α轴上的瞬时值、β轴上的瞬时值、α轴上延时四分之一周期时刻的瞬时值和β轴上延时四分之一周期时刻的瞬时值；
A303、将两相静止αβ坐标系中的正序负序分量转换到两相旋转dq坐标系中得到
Figure GDA00038914562500000711
Figure GDA0003891456250000081
和
Figure GDA0003891456250000082
将其带入步骤A203的正序负序电压指令表达式中，并结合PI控制器可合成子模块三相整流电路交流侧端口电压在两相旋转dq坐标系中的指令值
Figure GDA0003891456250000083
Figure GDA0003891456250000084
其中匹配变压器副边电压电流的正序负序分量在两相旋转dq坐标系中的表达式为：
Figure GDA0003891456250000085
Figure GDA0003891456250000086
Figure GDA0003891456250000087
式中，Cαβ-dq表示从两相静止αβ坐标系到两相旋转dq坐标系的变换矩阵；
A304、将子模块三相整流电路交流侧端口电压在两相旋转dq坐标系中的指令值
Figure GDA0003891456250000088
和
Figure GDA0003891456250000089
分别转换到三相旋转abc坐标系中得到脉冲宽度调制的调制信号
Figure GDA00038914562500000810
和
Figure GDA00038914562500000811
由调制信号和脉冲宽度调制得到子模块三相整流电路各个绝缘栅双极型晶体管的开关信号，由该开关信号控制子模块三相整流电路的绝缘栅双极型晶体管的导通或关断，完成三相整流电路电压不平衡控制，其中，子模块三相整流电路交流侧端口电压指令在三相旋转abc坐标系中的表达式为：
Figure GDA00038914562500000812
Figure GDA00038914562500000813
上述进一步方案的有益效果是：本发明提供的电压不平衡控制方法，能够在既有牵引变压器副边三相电压不平衡时减小三相-单相变流器交流侧三相电流的负序分量和直流侧电压脉动，从而可以减少既有牵引变压器副边电压不平衡问题对三相-单相变流器的性能影响，同时能够提高贯通柔性牵引变电所供电区间的供电可靠性。
本发明提供了一种既有牵引变压器的贯通柔性牵引变电所的保护配置方法，包括以下步骤：
S1、在断路器QF5处设置方向检测元件，并通过断路器QF5处方向检测元件判断故障在接触网侧还是母线侧，若在接触网，则进入步骤S2，若在母线侧，则进入步骤S3；
S2、在贯通柔性牵引变电所的馈线处设置距离保护作为主保护，设置低压启动的过电流保护和电流增量保护作为后备保护，以及设置电流速断作为辅助保护；
S3、在贯通柔性牵引变电所27.5kV母线处设置母线差动保护；
S4、在电子式牵引变压器处设置有功功率差动保护；
S5、在三相整流电路输入侧设置过电流保护和缺相保护，在三相整流电路直流侧设置过压保护和欠压保护，在各子模块处设置温度保护以及在三相-单相变流器的单相级联输出侧设置过电流保护，实现三相-单相变流器在子模块故障下的自愈重构；
S6、在贯通柔性牵引变电所的匹配变压器设置过电流保护作为主保护，设置温度保护和负序电流保护作为后备保护；
S7、针对贯通柔性牵引变电所正常工作时，在既有牵引变压器的保护配置中上加入负序过电流保护，并修改既有牵引变压器的各保护整定值，通过计算各子模块输入电流之和，并根据匹配变压器原副边电流关系，计算得到牵引变压器的负序电流值，在负序电流值大于负序电流整定值时，利用断路器QF5、断路器QF6和断路器QF8执行牵引变压器负序过电流保护动作，针对匹配变压器和三相-单相变流器退出运行且由牵引变压器向牵引网的两个供电臂提供电能时，在牵引变压器的保护配置中取消负序过流保护，并将保护配置既有牵引变压器各保护整定值修改为传统参数，完成对贯通柔性牵引变电所的保护配置。
本发明的有益效果是：本发明在匹配变压器保护中加入负序过电流保护，提高了变压器在非对称故障时的安全性；且在柔性牵引变电所三相-单相变流器功率模块输出侧设置重构开关，在模块发生非短路故障时，可通过驱动脉冲封锁与重构开关实现变流器地自愈重构，从而实现柔性牵引变电所的安全可靠运行。
再进一步地，所述步骤S2包括以下步骤：
S201、在贯通柔性牵引变电所的馈线保护安装位置设置电压电流互感器、并利用电压电流互感器测量馈线处的电压电流；
S202、根据馈线处的电压电流，计算得到测量阻抗值，并判断阻抗值是否小于阻抗整定值，若是，则进入步骤S203，否则，进入步骤S204；
S203、执行距离保护动作，若距离保护拒动，且满足低压与大电流判定时，执行低压启动的过电流保护动作，并进入步骤S205；
S204、针对在大电阻接地时，若阻抗值大于距离保护阻抗整定值，且故障电流小于过电流保护过电流整定值时，距离保护与低压启动的过电流保护不动作，执行电流增量保护动作，且当断路器QF5接触网侧出口处金属性短路时，短路电流达到电流速断保护电流速断保护整定值，执行电流速断保护动作，并进入步骤S205；
S205、分别在断路器QF9和断路器QF10处设置方向检测元件，并根据方向检测元件确定判定故障发生方向；
S206、根据所述故障发生方向，利用光缆通信通道进行信息交流，确定故障发生区段，完成贯通柔性牵引变电所馈线处的保护配置，并进入步骤S3。
上述进一步方案的有益效果是：为柔性牵引变电所馈线配置了相应保护方法，提高了变电所运行安全性，且通过光缆进行信息交流可及时将接触网故障隔离在故障段，从而减小故障影响范围，提高变电所运行可靠性。
再进一步地，所述步骤S3包括以下步骤：
S301、将贯通柔性牵引变电所馈线的电流互感器与三相-单相变流器级联输出侧的电流互感器同名端均设置在母线侧；
S302、将贯通柔性牵引变电所馈线和三相-单相变流器两处的电流互感器关联接入差动保护装置，并确定贯通柔性牵引变电所馈线及三相-单相变流器输出侧电流量之和；
S303、根据所述侧电流量之和判断母线是否发生故障，若是，则差动电流大于差动电流整定值，利用断路器QF5和断路器QF8执行母线差动保护，完成贯通柔性牵引变电所27.5kV母线的保护配置。
上述进一步方案的有益效果是：母线处设置母线差动保护，可及时切除母线处故障，提高柔性牵引变电所运行的可靠性。
再进一步地，所述步骤S4包括以下步骤：
S401、通过匹配变压器输入侧与级联逆变器输出侧电压电流互感器，检测电压电流值，计算输入输出有功功率并做差；
S402、根据所述有功功率之差判断电子式牵引变压器是否发生故障，若差动功率大于差动功率整定值，则利用断路器QF6、QF8执行有功功率差动保护，切除电子式牵引变压器内部故障。
再进一步地，所述步骤S5包括以下步骤：
S501、在各子模块输入侧设置电流传感器，在各子模块直流侧设置电压传感器，在各子模块内设置温度传感器，在三相-单相变流器级联输入侧设置电流传感器；
S502、针对子模块输入侧电流大于过电流保护过电流整定值时，判断为短路故障，执行负序过电流保护动作于三相-单相变流器驱动脉冲封锁，断开断路器QF6和断路器QF8；
S503、针对检测三相整流电路输入侧三相电压为缺相时，执行缺相保护动作运行于报警，若报警时间超过时间整定值时，执行缺相保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应子模块的旁边开关，实现三相-单相变流器自愈重构；
S504、针对检测三相整流电路直流侧电压大于过压整定值或小于欠压整定值，执行过压保护或欠压保护；其中，过压保护设置两段保护，针对在直流侧电压大于第一段过电压整定值时，过压保护动作于报警，若报警时间大于时间整定值时，过压保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应子模块的旁边开关，实现三相-单相变流器自愈重构；针对在直流侧电压大于直流侧电压最大限值即第二段过电压整定值时，过压保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应子模块的旁边开关，实现三相-单相变流器自愈重构；针对在三相整流电路直流侧电压低于欠压整定值时，执行保护动作于报警，若报警时间超过时间整定值，则执行欠压保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应子模块的旁边开关，实现三相-单相变流器自愈重构；
S505、针对子模块散热器温度大于温度整定值，执行温度保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应子模块的旁边开关，实现三相-单相变流器自愈重构；
S506、针对级联输出侧电流大于过电流整定值时，为短路故障，在级联逆变器输出侧执行过电流保护动作于变流器脉冲封锁，断开断路器QF8。
上述进一步方案的有益效果是：配置相应保护方法，提高变电所运行的安全性，同时，电子式牵引变压器设置功率差动保护，可提高电子式变压器内部故障时故障切除的可靠性，三相-单相变流器设置子模块旁路开关，可实现故障模块的及时切除和变流器系统的自愈重构。
再进一步地，所述步骤S6包括以下步骤：
S601、在匹配变压器高压侧设置电流互感器，在匹配变压器气隙处设置温度传感器，利用电流互感器测量高压侧电流，并计算其负序电流值；
S602、针对负序电流值大于负序电流整定值时，利用断路器QF6和断路器QF8执行负序过电流保护动作；
S603、针对发生相间短路与接地短路故障且过电流保护拒动，在发生两相相间短路时，利用断路器QF6和断路器QF8执行负序过电流保护动作；
S604、针对温度传感器测量值大于温度报警值时，执行温度保护并报警；
S605、针对温度传感器测量值大于阈值时，执行温度保护动作于跳闸，断开断路器QF6和断路器QF8。
上述进一步方案的有益效果是：配置相应的保护方法，提高变电所运行的安全性，同时在匹配变压器设置负序过电流保护，使其对不对称故障更加灵敏，可增加不对称故障切除的可靠性。
附图说明
图1为本发明基于既有Vv牵引变压器的贯通式牵引变电所结构。
图2为本发明基于既有Vx牵引变压器的贯通式牵引变电所结构。
图3为本发明基于两电平H桥结构的三相-单相变流器子模块。
图4为本发明基于三电平H桥结构的三相-单相变流器子模块。
图5为本发明基于多电平H桥结构的三相-单相变流器子模块。
图6为本发明所提供的电压不平衡控制的结构示意图。
图7为本发明带有保护装置的贯通式牵引变电所结构。
图8为本发明贯通柔性牵引变电所三相-单相变流器模块级自愈重构示意图。
图9为本发明中保护配置方法流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
如图1和图2所示，本发明提供了一种既有牵引变压器的贯通柔性牵引变电所，包括既有牵引变压器、匹配变压器、三相-单相变流器以及若干个断路器；所述既有牵引变压器原边三相分别与三相电网A相、B相和C相一一对应连接，所述既有牵引变压器副边b相与钢轨地始终连接，所述既有牵引变压器副边a相通过断路器QF1与母线A连接，所述既有牵引变压器副边c相通过断路器QF3与母线B连接；所述匹配变压器原边A相、B相和C相通过断路器QF6分别与既有牵引变压器副边a相、b相和c相一一对应连接，所述匹配变压器副边包含有若干组绕组，各所述绕组均与所述三相-单相变流器连接，所述三相-单相变流器的输出端分别与贯通柔性牵引变电所母线A和钢轨连接，所述母线A与牵引网连接，所述匹配变压器原边为三角形接绕组，所述匹配变压器副边各绕组均为星形接绕组，可实现既有系统与新建系统间的很好衔接；无需对既有牵引变压器进行改造；匹配变压器副边绕组为星形接，工程上容易制作。各所述三相-单相变流器包括子模块C1～Cn、旁路开关Qc1～Qcn和输出滤波电路；所述输出滤波电路与输出断路器QF8连接；各所述子模块的结构均相同，各所述子模块均包括依次连接的输入滤波电路、三相整流电路、支撑电容以及单相逆变电路；各所述子模块的输出与旁路开关Qc1～Qcn一一对应并联；所述子模块输出端级联后分别与贯通柔性牵引变电所母线A和钢轨连接，所述母线A与牵引网连接；各所述输入滤波电路连接至各绕组的a相、b相和c相；各所述输入滤波电路包括三个数值相同的电感LZ，所述三个电感LZ的一端分别连接至所述匹配变压器副边的a相、b相和c相；所述三个电感LZ的另一端分别与所述三相整流电路的A相、B相和C相连接。
本实施例中，既有牵引变压器原边三相分别接于三相电网A相、B相、C相，副边b相始终与钢轨地连接；匹配变压器原边三相(A，B，C)分别接于既有牵引变压器副边a相、b相、c相，其副边含有n组绕组；每一组三相-单相变流器子模块的输入分别与匹配变压器的一组副边的a相、b相、c相一一对应连接；n组三相-单相变流器子模块输出端级联后连接至变电所母线A和钢轨，母线A连接至牵引网向列车供电。
本实施例中，三相-单相变流器包括子模块C1～Cn、旁路开关Qc1～Qcn和输出滤波电路；三相-单相变流器的输出滤波电路连接至输出断路器QF8；所述三相-单相变流器子模块C1～Cn包括依次连接的输入滤波电路、三相整流电路、支撑电容、单相逆变电路，每个所述变流器C1～Cn的输出分别并联所述旁路开关Qc1～Qcn；所述三相-单相变流器子模块C1～Cn的输入滤波电路分别连接至匹配变压器副边绕组1～n的a相、b相、c相；所述三相-单相变流器子模块的输入滤波电路包括三个数值相同的电感Lz，所述三个电感Lz的一端分别连接至匹配变压器副边a相、b相、c相，其另一端分别与三相整流电路的A相、B相、C相连接。
本实施例中，匹配变压器采用Dy11接线，原边为三角形接绕组，副边为n组相同的星形接绕组。
本实施例中，图1和图2是本发明未带保护装置的贯通柔性牵引变电所结构图，三相电网(A，B，C)经过牵引变电所中的传统三相-两相牵引变压器，输出两相27.5kV电压，既有牵引变压器后端依次接入断路器QF6、匹配变压器和三相-单相变流器。需要说明的是，传统牵引变压器可以是Vv变压器或者Vx变压器，具体的牵引变压器结构由传统牵引变电所所用的变压器决定。两相27.5kV电压经过匹配变压器和三相-变压器后输出单相27.5kV电压，该电压连接至母线A，由母线A通过断路器连接牵引网向列车供电。正常工作情况下，所述既有牵引变压器副边a相、c相与母线之间的开关QF1、QF3断开，b相与钢轨地始终连接，所述既有牵引变压器的输出两相27.5kV电压经过所述匹配变压器后，输出n组三相电压为n组三相-单相变流器子模块提供电能，所述匹配变压器副边输出电压大小及其绕组数量由所述三相-单相变流器子模块的数量和拓扑结构以及所用功率器件的耐压耐流值三者共同决定。同样的，三相-单相变流器的结构可以是两电平H桥结构，如图3所示，其中三相整流电路由绝缘栅双极型晶体管S11～S32组成，单相逆变电路由绝缘栅双极型晶体管Sa1～Sb2组成，C1是支撑电容。当三相-单相变流器采用三电平H桥结构时，所述结构如图4所示，其中三相整流电路由绝缘栅双极型晶体管S11～S34和钳位二极管D1～D6组成，单相逆变电路由绝缘栅双极型晶体管Sa1～Sb4和钳位二极管D7～D10组成，支撑电容由C1和C2组成；如图5所示基于n电平的三相-单相变流器结构图，其中三相整流电路由绝缘栅双极型晶体管S11～S32n和钳位二极管D11～D32n-2组成，单相逆变电路由绝缘栅双极型晶体管Sa1～Sbn和钳位二极管Da1～Db2n-2组成，支撑电容由C1～Cn组成。当三相-单相变流器出现严重故障，已无法正常向牵引网输出27.5kV电压时，通过断开断路器QF6和QF8使匹配变压器和三相-单相变流器处于旁路状态、退出所述贯通柔性牵引变电所，退出所述匹配变压器和三相-单相变流器后再闭合开关QF1和QF3使所述既有牵引变压器副边a相、c相重新与母线A、母线B连接，此时贯通柔性牵引变电所转变为传统供电方式、重新投入电分相装置。
本实施例中，既有牵引变压器的贯通柔性牵引变电所包括电子供电模式和传统供电模式：所述电子供电模式为：针对所述贯通柔性牵引变电所处于正常状态时，打开断路器QF1和QF3同时闭合QF6和QF8，则所述牵引变压器通过所述匹配变压器向所述三相-单相变流器提供三相电能；所述传统供电模式为：针对所述贯通柔性牵引变电所处理故障状态时，断开断路器QF6和断路器QF8，同时闭合断路器QF1和QF3，则所述牵引变压器副边a相和c相分别接入母线A和母线B。
本实施例中，贯通柔性牵引变电所正常工作时，所述既有牵引变压器副边断路器QF1和QF3打开同时闭合断路器QF6和QF8，此时所述既有牵引变压器通过所述匹配变压器向所述三相-单相变流器提供三相电能。当所述三相-单相变流器发生故障、不能再连接至母线时，断开所述断路器QF6和断路器QF8使所述匹配变压器与所述三相-单相变流器退出所述贯通柔性牵引变电所，同时闭合所述断路器QF1和QF3使所述既有牵引变压器副边a相和c相分别接入母线A和母线B，从而使所述贯通柔性牵引变电所变为传统供电方式。
本实施例中，所述既有牵引变压器可以是Vv变压器或Vx变压器，具体变压器结构由当地牵引变电所所采用的传统牵引变压器决定，传统Vv变压器或Vx变压器是由两组单相变压器进行组合，而每组单相变压器的电气参数和制造工艺难以一致，因此传统牵引变压器副边两相电压会存在幅值不平衡问题，不对称的电压输入会导致三相-单相变流器网侧产生负序电流，增加三相-单相变流器的损耗并会降低系统输出的电能质量。既有Vv变压器或Vx变压器是由两组单相变压器组成，且两组单相变压器的电气参数和制造工艺等情况难以一致，因此所述既有牵引变压器的副边ab线电压、cb线电压存在电压不平衡问题。基于以上问题，本发明还提供了三相-单相变流器子模块中三相整流电路的电压不平衡控制方法，旨在减少三相-单相变流器的网侧负序电流、抑制直流侧电压波动并维持三相整流电路工作于单位功率因数，控制框图参考图6，具体如下：
A1、建立所述匹配变压器副边电压不平衡情况下三相整流电路的数学模型；所述步骤A1包括以下步骤：
A101、构建所述匹配变压器副边三相电压在两相静止αβ坐标系中的表达式，并根据基尔霍夫电压定律构建两相静止αβ坐标系下的所述子模块三相整流电路的数学模型：
Figure GDA0003891456250000151
式中，Eαβ表示两相静止αβ坐标系下匹配变压器的副边电压复矢量，Vαβ和Iαβ分别表示两相静止αβ坐标系下子模块中三相整流电路交流侧端口电压和电流的复矢量，Lz表示输入滤波电路中的电感，Rz表示输入滤波电感Lz中实际含有的电阻，
Figure GDA0003891456250000152
表示变量对时间的导数。
本实施例中，在所述子模块三相整流电路的控制系统中加入截止频率为50Hz的低通滤波器，将采样得到的匹配变压器副边三相不对称电压通过该低通滤波器，滤除其中的谐波分量；用正序负序分量表示匹配变压器副边三相不对称电压，并在两相静止αβ坐标系下将其表示，其中所述匹配变压器副边三相不对称电压为：
Figure GDA0003891456250000153
式中：ea、eb、ec为匹配变压器副边三相电压，
Figure GDA0003891456250000154
分别为匹配变压器副边电压正序、负序分量的有效值，αP、αN为匹配变压器副边正序、负序电压的相位初始角，ω位匹配变压器副边电压的角频率；匹配变压器副边三相不对称电压在两相静止αβ坐标系中的表达式为：
Figure GDA0003891456250000155
式中，Eαβ为两相静止αβ坐标系下匹配变压器副边电压的复矢量；为了简化控制器的设计，需要将Eαβ转换到两相同步旋转dq坐标系下：
Figure GDA0003891456250000156
式中，
Figure GDA0003891456250000157
分别为匹配变压器副边电压在两相同步旋转dq坐标系中的正序、负序复矢量；根据所述匹配变压器副边电压在两相静止αβ坐标系中的表达式，构建两相静止αβ坐标系下子模块三相整流电路的数学模型。
A102、利用两相旋转dq坐标系下的正负序分量表示所述匹配变压器副边电压复矢量Eαβ和所述三相整流电路交流侧端口电压电流的复矢量Vαβ、Iαβ：
Figure GDA0003891456250000161
Figure GDA0003891456250000162
Figure GDA0003891456250000163
Figure GDA0003891456250000164
式中，ejωt、e-jωt分别表示αβ坐标轴在逆时针方向上超前、滞后dq坐标轴ωt角度，
Figure GDA0003891456250000165
Figure GDA0003891456250000166
分别表示两相旋转dq坐标系中匹配变压器副边电压的正序、负序分量，
Figure GDA0003891456250000167
和
Figure GDA0003891456250000168
分别表示两相旋转dq坐标系中子模块三相整流电路交流侧端口电压、电流的正序负序复矢量，
Figure GDA0003891456250000169
和
Figure GDA00038914562500001610
分别表示子模块三相整流电路交流侧端口电压Vabc在两相旋转dq坐标系中d轴上的正序矢量、q轴上的正序矢量、d轴上的负序矢量和q轴上的负序矢量，
Figure GDA00038914562500001611
Figure GDA00038914562500001612
和
Figure GDA00038914562500001613
分别表示子模块三相整流电路交流侧端口电流在两相旋转dq坐标系中d轴上的正序矢量、q轴上的正序矢量、d轴上的负序矢量和q轴上的负序矢量，j表示虚轴分量；
A103、根据步骤A101中的数学模型和A102中复矢量
Figure GDA00038914562500001614
和
Figure GDA00038914562500001615
计算得到两相旋转dq坐标系中匹配变压器副边输入不对称电压下三相整流电路的数学模型：
Figure GDA0003891456250000171
式中，ω表示三相电网电压的角频率，
Figure GDA0003891456250000172
和
Figure GDA0003891456250000173
表示为匹配变压器副边电压在两相旋转dq坐标系中d轴、q轴的正序分量，
Figure GDA0003891456250000174
和
Figure GDA0003891456250000175
分别表示匹配变压器副边电压在两相旋转dq坐标系中d轴、q轴的负序分量，
Figure GDA0003891456250000176
和
Figure GDA0003891456250000177
分别表示子模块三相整流电路交流侧端口电压在两相旋转dq坐标系中d轴、q轴的正序分量，
Figure GDA0003891456250000178
和
Figure GDA0003891456250000179
分别表示三相整流电路交流侧端口电压在两相旋转dq坐标系中d轴、q轴的负序分量；
A2、通过建立匹配变压器副边瞬时功率与其电压电流的关系式，并根据所述三相整流电路的数学模型，选取所述三相整流电路交流侧端口电压电流正序分量和负序分量控制指令；所述步骤A2包括以下步骤：
A201、利用匹配变压器副边电压电流的正负序分量建立匹配变压器副边瞬时有功功率p(t)和无功功率q(t)的数学方程：
Figure GDA00038914562500001710
Figure GDA00038914562500001711
Figure GDA00038914562500001712
式中，po和qo分别表示所述匹配变压器副边有功功率和无功功率的平均值，pc2和qc2分别表示所述匹配变压器副边二次有功功率和无功功率的余弦函数峰值，ps2和qs2分别表示所述子匹配变压器副边二次有功功率和无功功率的正弦函数峰值。
本实施例中，根据所述两相旋转dq坐标系中匹配变压器副边电压、电流的正序负序复矢量，建立匹配变压器副边的功率表达式：
Figure GDA0003891456250000181
本实施例中，由匹配变压器副边二次有功、无功功率的表达式可以看出，当输入不对称电压即输入电压中含有负序分量时，匹配变压器副边有功功率和无功功率中会存在二次谐波分量。
A202、根据所述匹配变压器副边瞬时有功功率、无功功率和匹配变压器副边电压电流的正负序分量的正负序分量，分别选取四个功率指令
Figure GDA0003891456250000182
和
Figure GDA0003891456250000183
并根据矩阵逆变换得到三相整流电路输入电流的正负序分量控制指令
Figure GDA0003891456250000184
和
Figure GDA0003891456250000185
的表达式；
本实施例中，根据所述匹配变压器副边瞬时有功、无功功率和匹配变压器副边电压电流的正负序表达式，将平均有功、无功功率、二次有功、无功功率用两相旋转dq坐标系下匹配变压器副边电压电流的正负序分量表示：
Figure GDA0003891456250000186
Figure GDA0003891456250000187
本实施例中，根据选取的四个功率指令
Figure GDA0003891456250000188
和
Figure GDA0003891456250000189
通过矩阵逆变换得到所述三相整流电路输入电流的正负序分量控制指令
Figure GDA00038914562500001810
和
Figure GDA00038914562500001811
Figure GDA00038914562500001812
Figure GDA00038914562500001813
本实施例中，为了抑制子模块三相整流电路交流侧负序电流，因此需要使
Figure GDA00038914562500001814
同时，为了抑制三相-单相变流器直流侧电压中的二次脉动，需要使网侧二次功率分量为0，即pc2＝ps2＝0；此外，为了使子模块三相整流电路单位功率因数运行，需要使q0＝0；根据所述匹配变压器副边瞬时有功、无功功率关于电压电流的正负序分量表达式，选取四个功率指令。
本实施例中，忽略三相整流电路的功率损耗，根据匹配变压器副边有功功率与三相整流电路直流侧有功功率相等，将有功功率指令
Figure GDA0003891456250000191
用三相整流电路直流侧电压进行表示：
Figure GDA0003891456250000192
式中，
Figure GDA0003891456250000193
为子模块三相整流电路输出直流电压的参考值，KuP和KuI分别为子模块三相整流电路电压外环PI控制器的比例系数和积分系数，vdc表示直流侧实际电压大小，
Figure GDA0003891456250000194
表示积分运算。
本实例中，三相整流电路输出电流指令由电压外环控制器给出，与直流侧电压指令值相乘后得到有功功率
Figure GDA0003891456250000195
的表达式；结合图6控制框图的“直流电压控制及电流参考值计算”部分可知，该有功功率
Figure GDA0003891456250000196
表达式用于计算四个电流指令
Figure GDA0003891456250000197
的大小。
A203、根据步骤A103中三相整流电路的数学模型，加入前馈电流解耦，得到所述匹配变压副边电压电流正序负序分量控制指令
Figure GDA0003891456250000198
和
Figure GDA0003891456250000199
Figure GDA00038914562500001910
Figure GDA00038914562500001911
本实施例中，正序负序双电流控制是通过采集子模块三相整流电路交流侧实际电流的正序负序分量来追踪
Figure GDA00038914562500001912
四个电流指令达到控制效果；为了找到三相整流电路交流侧端口电压与电流的关系，在正序两相旋转dq坐标系和负序两相旋转dq坐标系中，加入指令电流前馈解耦控制，分别得到子模块三相整流电路交流侧端口电压正序分量和负序分量的控制指令。
A3、根据步骤A203中所述子模块三相整流电路交流侧端口电压正序负序分量控制指令
Figure GDA0003891456250000201
的表达式，提取所述匹配变压器副边电压电流的正序分量和负序分量对所述匹配变压器副边电压电流正序、负序分量分别进行控制，完成三相整流电路电压不平衡控制；
所述步骤A3包括以下步骤：
A301、将所述匹配变压器副边三相电压电流在两相静止αβ坐标系中表达：
Figure GDA0003891456250000202
Figure GDA0003891456250000203
式中，eα(t)和eβ(t)分别表示匹配变压器副边三相电压在α轴和β轴上的瞬时值，egp和egn分别表示匹配变压器副边三相电压正序和负序分量的峰值，iα(t)和iβ(t)分别表示匹配变压器副边三相电流在α轴和β轴上的瞬时值，igp和ign分别表示匹配变压器副边三相电流正序和负序分量的峰值，θp和θn分别表示匹配变压器副边三相电压电流正序和负序分量在两相静止αβ坐标系中的相位初始角；
本实施例中，本发明所述的三相-单相变流器子模块的三相整流电路为三相三线制，因此匹配变压器副边不对称电压中不含有零序分量；设子模块三相整流电路在单位功率因数下运行，即匹配变压器副边三相电压电流相位相同；
A302、根据所述匹配变压器副边三相电压电流在两相静止αβ坐标系中的表达式，将α轴和β轴上电压瞬时值延迟1/4周期并进行反变换，分别计算得到匹配变压器副边三相电压在两相静止αβ坐标系中的正序分量和负序分量：
Figure GDA0003891456250000204
Figure GDA0003891456250000211
其中，
Figure GDA0003891456250000212
和
Figure GDA0003891456250000213
分别表示匹配变压器副边三相电压在两相静止αβ坐标系中α轴上的正序分量、β轴上的正序分量、α轴上的负序分量和β轴上的负序分量，
Figure GDA0003891456250000214
和
Figure GDA0003891456250000215
分别表示子模块三相整流电路的输入电流在两相静止αβ坐标系中α轴上的正序分量、β轴上的正序分量、α轴上的负序分量和β轴上的负序分量，eα(t)、eβ(t)、
Figure GDA0003891456250000216
和
Figure GDA0003891456250000217
分别表示匹配变压器副边三相电压在α轴上的瞬时值、β轴上的瞬时值、α轴上延时四分之一周期时刻的瞬时值和β轴上延时四分之一周期时刻的瞬时值，iα(t)、iβ(t)、
Figure GDA0003891456250000218
和
Figure GDA0003891456250000219
分别表示匹配变压器副边三相电流在α轴上的瞬时值、β轴上的瞬时值、α轴上延时四分之一周期时刻的瞬时值和β轴上延时四分之一周期时刻的瞬时值；
本实施例中，根据所述匹配变压器副边电压电流的正序和负序分量瞬时表达式，将α轴、β轴上电压瞬时值延迟1/4电压/电流周期，得到延时后两相静止αβ坐标系中正序、负序分量：
Figure GDA00038914562500002110
Figure GDA00038914562500002111
式中，T为匹配变压器副边电压电流的周期。
本实施例中，所述匹配变压器副边电压电流正序负序分量延迟1/4周期后的表达式，将其进行反变换，并结合A301中匹配变压器副边电压电流的瞬时表达式，得到匹配变压器副边电压电流正负序分量在两相静止αβ坐标系中的表达式：
Figure GDA0003891456250000221
Figure GDA0003891456250000222
A303、将两相静止αβ坐标系中的正序负序分量转换到两相旋转dq坐标系中得到
Figure GDA0003891456250000223
Figure GDA0003891456250000224
和
Figure GDA0003891456250000225
将其带入步骤A203的正序负序电压指令表达式中，并结合PI控制器可合成子模块三相整流电路交流侧端口电压在两相旋转dq坐标系中的指令值
Figure GDA0003891456250000226
Figure GDA0003891456250000227
其中匹配变压器副边电压电流的正序负序分量在两相旋转dq坐标系中的表达式为：
Figure GDA0003891456250000228
Figure GDA0003891456250000229
Figure GDA00038914562500002210
式中，Cαβ-dq表示从两相静止αβ坐标系到两相旋转dq坐标系的变换矩阵；
A304、将子模块三相整流电路交流侧端口电压在两相旋转dq坐标系中的指令值
Figure GDA00038914562500002211
和
Figure GDA00038914562500002212
分别转换到三相旋转abc坐标系中得到脉冲宽度调制的调制信号
Figure GDA00038914562500002213
和
Figure GDA00038914562500002214
由调制信号和脉冲宽度调制得到子模块三相整流电路各个绝缘栅双极型晶体管的开关信号，由该开关信号控制子模块三相整流电路的绝缘栅双极型晶体管的导通或关断，完成三相整流电路电压不平衡控制，其中，子模块三相整流电路交流侧端口电压指令在三相旋转abc坐标系中的表达式为：
Figure GDA0003891456250000231
Figure GDA0003891456250000232
本实施例中，结合图6的控制框图可知，三相整流电路A、B、C相的调制信号分别为
Figure GDA0003891456250000233
PWM模块根据输入的调制信号生成各个绝缘栅双极型晶体管的开关信号，由开关信号控制绝缘栅双极型晶体管的导通或关断，三相整流电路通过绝缘栅双极型晶体管实时的开通与关断完成所述电压不平衡控制。
实施例2
如图7所示，图7为带有保护装置的贯通柔性牵引变电所供电结构示意图，为实现变电所安全供电，变电所各部分配置的保护方法如下：
(1)贯通柔性牵引变电所馈线处设置距离保护作为主保护，低压启动的过电流保护、电流增量保护作为后备保护，电流速断保护作为辅助保护。
在馈线保护安装位置设置电压电流互感器，测量馈线处电压电流，计算此时测量阻抗大小，小于整定值则距离保护动作，在距离保护拒动，且满足低压与大电流判据时，低压启动的过电流保护动作，若遇大电阻接地短路故障，距离保护与低压启动过电流保护拒动，此时电流增量保护动作，当保护正向(即QF5牵引网侧)出口处金属性短路时，短路电流达到电流速断保护整定值，电流速断保护动作，避免了距离保护死区造成的距离保护拒动。上述保护均动作于断路器QF5。
由于贯通柔性牵引供电系统为双边供电，在断路器QF5、断路器QF9和断路器QF10处需配置方向检测元件，根据方向检测元件判定故障发生方向，通过光缆通信通道进行信息交流，从而判断故障发生区段，并及时断开相应断路器将故障进行隔离，减小故障对柔性牵引供电系统运行的影响。
(2)贯通柔性牵引变电所27.5kV母线处设置母线差动保护以快速切除母线短路故障并以变压器低压侧低压启动过电流保护作为后备保护，在母线差动保护拒动时可靠动作。
将馈线电流互感器与三相-单相变流器电流互感器同名端均设置在母线侧，再将两处电流互感器并联接入差动保护装置，通过馈线及三相-单相变流器输出侧电流量之和判断母线是否发生故障，在差动电流大于整定值时，母线差动保护动作，保护动作于断路器QF5和断路器QF8。
(3)三相-单相变流器各个子模块的三相整流电路输入侧设置过电流保护和缺相保护，直流侧设置过压保护和欠压保护，每个模块设置温度保护，三相-单相变流器系统单相级联输出侧设置过电流保护。
如图8所示，为提高系统运行可靠性，在三相-单相变流器每个子模块输出侧设置旁路开关，在模块发生过压、整流器输入侧缺相等非短路故障时，可脉冲封锁相应功率模块并闭合旁路开关切除故障模块，实现三相-单相变流器在模块故障下的自愈重构。
(4)贯通柔性牵引变电所的匹配变压器设置过电流保护作为主保护，设置温度保及负序电流保护作为后备保护。
(5)贯通柔性牵引变电所正常工作时，既有牵引变压器在已有保护配置的基础上加入负序过电流保护，并修改已有保护配置的整定值；通过计算三相-单相变流器各个子模块输入电流之和，根据匹配变压器原副边电流关系，计算出既有牵引变压器的负序电流大小，在负序电流大于整定值时，既有牵引变压器负序过电流保护动作，保护动作于断路器QF5、断路器QF6和断路器QF8；当匹配变压器和三相-单相变流器退出运行、由既有牵引变压器直接向牵引网的两个供电臂提供电能时，既有牵引变压器的保护配置中取消负序过电流保护并将已有的保护配置整定值修改为传统参数。
基于上述可知，根据贯通柔性牵引变电所各个设备及线路可能出现的故障及故障特点，采用多级故障定位策略，及时判断故障发生点，并针对其配置适用的保护方法，能够保证柔性牵引变电所各个设备及线路故障时的快速可靠切除，实现柔性牵引变电所的安全可靠运行。上述多级故障定位策略分为器件级、模块级、变电所级三级。其中，器件级与模块级采用变流器故障诊断策略，利用故障瞬间的变流器电压电流有效值及其特征次谐波含量大小可准确判断出三相-单相变流器中的绝缘栅双极型晶体管与三相-单相变流器子模块的故障位置，并发出相应信号；变电所级故障主要针对变电所设备及线路故障，通过设备及线路处电压电流互感器测量各处电压电流信息，当其超出保护整定值，保护动作并发出相应信号，根据保护动作信号并结合故障瞬间各处电气量可准确判断故障发生位置，并发出相应信号；针对贯通柔性牵引变电所的两种供电方式，对前端既有牵引变压器设置了对应的保护配置。相应的方案如下其具体如下：
如图9所示，本发明提供了一种既有牵引变压器的贯通柔性牵引变电所的保护配置方法，其实现方法如下：
S1、在断路器QF5处设置方向检测元件，并通过断路器QF5处方向检测元件判断故障在接触网侧还是母线侧，若在接触网，则进入步骤S2，若在母线侧，则进入步骤S3；
S2、在贯通柔性牵引变电所的馈线处设置距离保护作为主保护，设置低压启动的过电流保护和电流增量保护作为后备保护，以及设置电流速断作为辅助保护，其实现方法如下：
S201、在贯通柔性牵引变电所的馈线保护安装位置设置电压电流互感器、并利用电压电流互感器测量馈线处的电压电流；
S202、根据馈线处的电压电流，计算得到测量阻抗值，并判断阻抗值是否小于阻抗整定值，若是，则进入步骤S203，否则，进入步骤S204；
S203、执行距离保护动作，若距离保护拒动，且满足低压与大电流判定时，执行低压启动的过电流保护动作，并进入步骤S205；
S204、针对在大电阻接地时，若阻抗值大于距离保护阻抗整定值，且故障电流小于过电流保护过电流整定值时，距离保护与低压启动的过电流保护不动作，执行电流增量保护动作，且当断路器QF5接触网侧出口处金属性短路时，短路电流达到电流速断保护电流速断保护整定值，执行电流速断保护动作，并进入步骤S205；
S205、分别在断路器QF9和断路器QF10处设置方向检测元件，并根据方向检测元件确定判定故障发生方向；
S206、根据所述故障发生方向，利用光缆通信通道进行信息交流，确定故障发生区段，完成贯通柔性牵引变电所馈线处的保护配置，并进入步骤S3。
本实施例中，在馈线保护安装位置设置电压电流互感器，测量馈线处电压电流，计算此时测量阻抗大小，小于整定值则距离保护动作，在距离保护拒动，且满足低压与大电流判据时，低压启动的过电流保护动作，若遇大电阻接地短路故障，距离保护与低压启动过电流保护拒动，此时电流增量保护动作，当保护正向(即断路器QF5牵引网侧)出口处金属性短路时，短路电流达到电流速断保护整定值，电流速断保护动作，避免了距离保护死区造成的距离保护拒动。上述保护均动作于断路器QF5。
由于贯通柔性牵引供电系统为双边供电，在断路器QF5、断路器QF9和断路器QF10处需配置方向检测元件，根据方向检测元件判定故障发生方向，通过光缆通信通道进行信息交流，从而判断故障发生区段，并及时断开相应断路器将故障进行隔离，减小故障对柔性牵引供电系统运行的影响。
S3、在贯通柔性牵引变电所27.5kV母线处设置母线差动保护，其实现方法如下：
S301、将贯通柔性牵引变电所馈线的电流互感器与三相-单相变流器级联输出侧的电流互感器同名端均设置在母线侧；
S302、将贯通柔性牵引变电所馈线和三相-单相变流器两处的电流互感器关联接入差动保护装置，并确定贯通柔性牵引变电所馈线及三相-单相变流器输出侧电流量之和；
S303、根据所述侧电流量之和判断母线是否发生故障，若是，则差动电流大于差动电流整定值，利用断路器QF5和断路器QF8执行母线差动保护，完成贯通柔性牵引变电所27.5kV母线的保护配置。
S4、在电子式牵引变压器处设置有功功率差动保护，其实现方法如下：
S401、通过匹配变压器输入侧与级联逆变器输出侧电压电流互感器，检测电压电流值，计算输入输出有功功率并做差；
S402、根据所述有功功率之差判断电子式牵引变压器是否发生故障，若差动功率大于差动功率整定值，则利用断路器QF6、QF8执行有功功率差动保护，切除电子式牵引变压器内部故障；
S5、在三相整流电路输入侧设置过电流保护和缺相保护，在三相整流电路直流侧设置过压保护和欠压保护，在各子模块处设置温度保护以及在三相-单相变流器的单相级联输出侧设置过电流保护，实现三相-单相变流器在子模块故障下的自愈重构，其实现方法如下：
S501、在各子模块输入侧设置电流传感器，在各子模块直流侧设置电压传感器，在各子模块内设置温度传感器，在三相-单相变流器级联输入侧设置电流传感器；
S502、针对子模块输入侧电流大于过电流保护过电流整定值时，判断为短路故障，执行负序过电流保护动作于三相-单相变流器驱动脉冲封锁，断开断路器QF6和断路器QF8；
S503、针对检测三相整流电路输入侧三相电压为缺相时，执行缺相保护动作运行于报警，若报警时间超过时间整定值时，执行缺相保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应子模块的旁边开关，实现三相-单相变流器自愈重构；
S504、针对检测三相整流电路直流侧电压大于过压整定值或小于欠压整定值，执行过压保护或欠压保护；其中，过压保护设置两段保护，针对在直流侧电压大于第一段过电压整定值时，过压保护动作于报警，若报警时间大于时间整定值时，过压保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应子模块的旁边开关，实现三相-单相变流器自愈重构；针对在直流侧电压大于直流侧电压最大限值即第二段过电压整定值时，过压保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应子模块的旁边开关，实现三相-单相变流器自愈重构；针对在三相整流电路直流侧电压低于欠压整定值时，执行保护动作于报警，若报警时间超过时间整定值，则执行欠压保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应子模块的旁边开关，实现三相-单相变流器自愈重构；
S505、针对子模块散热器温度大于温度整定值，执行温度保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应子模块的旁边开关，实现三相-单相变流器自愈重构；
S506、针对级联输出侧电流大于过电流整定值时，为短路故障，在级联逆变器输出侧执行过电流保护动作于变流器脉冲封锁，断开断路器QF8。
本实施例中，需在三相-单相变流器各个子模块输入侧设置电流传感器，直流侧设置电压传感器，模块内设置温度传感器，三相-单相变流器级联输出侧设置电流传感器。当三相-单相变流器子模块输入侧电流大于整定值时，判断为短路故障，保护动作于三相-单相变流器驱动脉冲封锁，断路器QF6和断路器QF8断开；当检测三相整流电路输入侧三相电压判断缺相时，首先保护动作于报警，若短时间内控制恢复则停止报警，报警时间超过整定值，则保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应子模块旁路开关实现三相-单相变流器自愈重构；当直流侧电压大于过压整定值或小于欠压整定值，首先保护动作于报警，若短时间内三相-单相变流器通过控制恢复则停止报警，报警时间超过整定值，则保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应子模块旁路开关实现变流器自愈重构；当子模块散热器温度大于整定温度，保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应子模块旁路开关实现变流器自愈重构；当级联输出侧电流大于整定值时，判定为短路故障，保护动作于变流器脉冲封锁，断路器QF8和断路器QF5断开。
本实施例中，如图8所示，为提高系统运行可靠性，在三相-单相变流器每个子模块输出侧设置旁路开关，在模块发生过压、整流器输入侧缺相等非短路故障时，可脉冲封锁相应功率模块并闭合旁路开关切除故障模块，实现三相-单相变流器在模块故障下的自愈重构。
S6、在贯通柔性牵引变电所的匹配变压器设置过电流保护作为主保护，设置温度保护和负序电流保护作为后备保护，其实现方法如下：
S601、在匹配变压器高压侧设置电流互感器，在匹配变压器气隙处设置温度传感器，利用电流互感器测量高压侧电流，并计算其负序电流值；
S602、针对负序电流值大于负序电流整定值时，利用断路器QF6和断路器QF8执行负序过电流保护动作；
S603、针对发生相间短路与接地短路故障且过电流保护拒动，在发生两相相间短路时，利用断路器QF6和断路器QF8执行负序过电流保护动作；
S604、针对温度传感器测量值大于温度报警值时，执行温度保护并报警；
S605、针对温度传感器测量值大于阈值时，执行温度保护动作于跳闸，断开断路器QF6和断路器QF8。
本实施例中，在匹配变压器高压侧设置电流互感器，变压器气隙设置温度传感器，利用电流互感器测量高压侧电流并计算其负序电流含量。当电流测量值大于整定值时，过电流保护动作，其整定值需根据匹配变压器和三相-单相变流器实际参数来确定；若过电流保护拒动，在发生两相相间短路时负序过电流保护动作，上述保护均动作于断路器QF6和断路器QF8。当温度传感器测量值大于温度报警值时，温度保护报警，当温度测量值大于最高允许值时，温度保护动作于跳闸，断路器QF6和断路器QF8断开。
S7、针对贯通柔性牵引变电所正常工作时，在既有牵引变压器的保护配置中上加入负序过电流保护，并修改既有牵引变压器的各保护整定值，通过计算各子模块输入电流之和，并根据匹配变压器原副边电流关系，计算得到牵引变压器的负序电流值，在负序电流值大于负序电流整定值时，利用断路器QF5、断路器QF6和断路器QF8执行牵引变压器负序过电流保护动作，针对匹配变压器和三相-单相变流器退出运行且由牵引变压器向牵引网的两个供电臂提供电能时，在牵引变压器的保护配置中取消负序过流保护，并将保护配置既有牵引变压器各保护整定值修改为传统参数，完成对贯通柔性牵引变电所的保护配置。
上述既有牵引变压器各个保护主要包括差动保护、低压启动的过电流保护、过负荷保护等变压器原有保护配置，修改其保护整定值即为根据系统不同的运行状态分别修改差动电流整定值、过电流保护整定值、过负荷整定值等保护整定值。
本实施例中，匹配变压器和三相-单相变流器共同设置有功功率差动保护。根据匹配变压器压器输入有功功率和三相-单相变流器的输出有功功率相等，测量匹配变压器输入与三相-单相变流器输出侧电压电流计算其有功功率差，当有功功率差大于整定值时，保护动作于断路器QF6和断路器QF8。当断流器QF6与断路器QF8断开，即匹配变压器与三相-单相变流器退出运行时，动作断路器QF1和断路器QF3使既有传统牵引变压器连接母线和钢轨，贯通柔性牵引变电所转变为传统供电方式。
本发明的有益效果是：
1、本发明所提出的一种贯通柔性牵引变电所的结构可以利用牵引变电所已有的传统变压器，节约了占地空间，降低了变电所改造成本。所述贯通柔性牵引变电所明除了可以取消变电所内与两个牵引变电所间的电分相、提高列车运行速度和载荷能力之外，系统还可以在变流器出现严重故障时退回到传统供电方式，提高了线路运行的可靠性。
2、本发明提出的电压不平衡控制方法，能够在既有牵引变压器电压输出不平衡的情况下抑制三相-单相变流器网侧交流电流的负序分量和直流侧电压波动并维持三相-单相整流器单位功率因数运行，降低了三相-单相变流器的运行损耗并提高了系统运行的可靠性。
3、本发明所提出的贯通柔性牵引变电所保护配置方法可实现本变电所内部故障的快速可靠切除，实现变电所的安全运行；本发明所设计的一种变流器自愈重构保护技术，可保证故障模块的快速准确切除，使得变电所运行的可靠性大大提高；本发明所提出的保护装置加入了负序过电流保护，能够更加可靠地切除贯通柔性牵引变电所的不对称故障，提高了变电所运行的安全性与可靠性。
4、本发明以能够在既有牵引变电所的基础上进行改造、实现两个变电所之间的全线贯通，能够保证柔性牵引变电所各个设备及线路故障的快速可靠切除，同时能够使牵引变电所在三相-单相变流器出现故障时退回到原有的供电方式运行，实现柔性牵引变电所的安全可靠运行。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种既有牵引变压器的贯通柔性牵引变电所，其特征在于，包括既有牵引变压器、匹配变压器、三相-单相变流器以及若干个断路器；
所述既有牵引变压器原边三相分别与三相电网A相、B相和C相一一对应连接，所述既有牵引变压器副边b相与钢轨地连接，所述既有牵引变压器副边a相通过断路器QF1与贯通柔性牵引变电所母线A连接，所述既有牵引变压器副边c相通过断路器QF3与母线B连接；所述匹配变压器原边A相、B相和C相通过断路器QF6与既有牵引变压器副边a相、b相和c相一一对应连接，所述匹配变压器副边包含有若干组绕组，所述匹配变压器副边的各绕组均与所述三相-单相变流器连接，所述三相-单相变流器的输出端分别与贯通柔性牵引变电所母线A和钢轨连接，所述贯通柔性牵引变电所母线A与牵引网连接；
所述匹配变压器原边为三角形接绕组，所述匹配变压器副边各绕组均为星形接绕组；
各所述三相-单相变流器包括子模块C1～Cn、旁路开关Qc1～Qcn和输出滤波电路；所述输出滤波电路与输出断路器QF8连接；
各所述子模块的结构均相同，各所述子模块均包括依次连接的输入滤波电路、三相整流电路、支撑电容以及单相逆变电路；各所述子模块的输出与旁路开关Qc1～Qcn一一对应并联；所述子模块输出端级联后分别与贯通柔性牵引变电所母线A和钢轨连接，所述贯通柔性牵引变电所母线A与牵引网连接；各所述输入滤波电路连接至匹配变压器副边各绕组的a相、b相和c相；
各所述输入滤波电路包括三个数值相同的电感LZ，所述三个电感LZ的一端分别连接至所述匹配变压器副边各绕组的a相、b相和c相；所述三个电感LZ的另一端分别与所述三相整流电路的A相、B相和C相连接；
所述既有牵引变压器的贯通柔性牵引变电所包括电子供电模式和传统供电模式：
所述电子供电模式为：针对所述贯通柔性牵引变电所处于正常状态时打开断路器QF1和断路器QF3并闭合断路器QF6和断路器QF8，则所述既有牵引变压器通过所述匹配变压器向所述三相-单相变流器提供三相电能；
所述传统供电模式为：针对所述贯通柔性牵引变电所处理故障状态时，断开断路器QF6和断路器QF8，同时闭合断路器QF1和断路器QF3，则所述既有牵引变压器副边a相和c相分别接入母线A和母线B；
所述三相整流电路的电压不平衡控制方法包括以下步骤：
A1、建立所述匹配变压器副边电压不平衡情况下三相整流电路的数学模型；所述步骤A1包括以下步骤：
A101、构建所述匹配变压器副边三相电压在两相静止αβ坐标系中的表达式，并根据基尔霍夫电压定律构建两相静止αβ坐标系下的所述子模块三相整流电路的数学模型：
Figure FDA0003891456240000021
式中，Eαβ表示两相静止αβ坐标系下匹配变压器的副边电压复矢量，Vαβ和Iαβ分别表示两相静止αβ坐标系下子模块中三相整流电路交流侧端口电压和电流的复矢量，Lz表示输入滤波电路中的电感，Rz表示输入滤波电感Lz中实际含有的电阻，
Figure FDA0003891456240000022
表示变量对时间的导数；
A102、利用两相旋转dq坐标系下的正负序分量表示所述匹配变压器副边电压复矢量Eαβ和所述三相整流电路交流侧端口电压电流的复矢量Vαβ、Iαβ：
Figure FDA0003891456240000023
Figure FDA0003891456240000024
Figure FDA0003891456240000025
Figure FDA0003891456240000026
式中，ejωt、e-jωt分别表示αβ坐标轴在逆时针方向上超前、滞后dq坐标轴ωt角度，
Figure FDA0003891456240000027
Figure FDA0003891456240000028
分别表示两相旋转dq坐标系中匹配变压器副边电压的正序、负序分量，
Figure FDA0003891456240000029
和
Figure FDA00038914562400000210
分别表示两相旋转dq坐标系中子模块三相整流电路交流侧端口电压、电流的正序负序复矢量，
Figure FDA00038914562400000211
和
Figure FDA00038914562400000212
分别表示子模块三相整流电路交流侧端口电压Vabc在两相旋转dq坐标系中d轴上的正序矢量、q轴上的正序矢量、d轴上的负序矢量和q轴上的负序矢量，
Figure FDA00038914562400000213
Figure FDA00038914562400000214
和
Figure FDA00038914562400000215
分别表示子模块三相整流电路交流侧端口电流在两相旋转dq坐标系中d轴上的正序矢量、q轴上的正序矢量、d轴上的负序矢量和q轴上的负序矢量，j表示虚轴分量；
A103、根据步骤A101中的数学模型和A102中复矢量
Figure FDA00038914562400000216
和
Figure FDA00038914562400000217
计算得到两相旋转dq坐标系中匹配变压器副边输入不对称电压下三相整流电路的数学模型：
Figure FDA0003891456240000031
式中，ω表示三相电网电压的角频率，
Figure FDA0003891456240000032
和
Figure FDA0003891456240000033
分别表示为匹配变压器副边电压在两相旋转dq坐标系中d轴和q轴的正序矢量，
Figure FDA0003891456240000034
和
Figure FDA0003891456240000035
分别表示匹配变压器副边电压在两相旋转dq坐标系中d轴和q轴的负序矢量，
Figure FDA0003891456240000036
和
Figure FDA0003891456240000037
分别表示子模块三相整流电路交流侧端口电压在两相旋转dq坐标系中d轴和q轴的正序矢量，
Figure FDA0003891456240000038
和
Figure FDA0003891456240000039
分别表示三相整流电路交流侧端口电压在两相旋转dq坐标系中d轴和q轴的负序矢量，Rz表示输入滤波电感Lz中实际含有的电阻；
A2、通过建立匹配变压器副边瞬时功率与其电压电流的关系式，并根据所述三相整流电路的数学模型，选取所述三相整流电路交流侧端口电压电流正序分量和负序分量控制指令；所述步骤A2包括以下步骤：
A201、利用匹配变压器副边电压电流的正负序分量建立匹配变压器副边瞬时有功功率p(t)和无功功率q(t)的数学方程：
Figure FDA00038914562400000310
Figure FDA00038914562400000311
Figure FDA00038914562400000312
式中，po和qo分别表示所述匹配变压器副边有功功率和无功功率的平均值，pc2和qc2分别表示所述匹配变压器副边二次有功功率和无功功率的余弦函数峰值，ps2和qs2分别表示所述匹配变压器副边二次有功功率和无功功率的正弦函数峰值，
Figure FDA00038914562400000313
和
Figure FDA00038914562400000314
分别表示匹配变压器副边电压在两相旋转dq坐标系中d轴上的电压正序分量、q轴上的电压正序分量、d轴上的电压负序分量和q轴上的电压负序分量；
A202、根据所述匹配变压器副边瞬时有功功率、无功功率和匹配变压器副边电压电流的正负序分量的正负序分量，分别选取四个功率指令
Figure FDA0003891456240000041
和
Figure FDA0003891456240000042
并根据矩阵逆变换得到三相整流电路输入电流的正负序分量控制指令
Figure FDA0003891456240000043
和
Figure FDA0003891456240000044
的表达式：
Figure FDA0003891456240000045
Figure FDA0003891456240000046
Figure FDA0003891456240000047
式中，
Figure FDA0003891456240000048
和
Figure FDA0003891456240000049
分别表示子模块三相整流电路交流侧电流在两相旋转dq坐标系中d轴上的电流正序分量指令、q轴上的电流正序分量指令、d轴上的电流负序分量指令和q轴上的电流负序分量指令；
Figure FDA00038914562400000410
为子模块三相整流电路输出直流电压的参考值，KuP和KuI分别为子模块三相整流电路电压外环PI控制器的比例系数和积分系数，vdc表示直流侧实际电压大小，
Figure FDA00038914562400000411
表示积分运算；
A203、根据步骤A103中三相整流电路的数学模型，加入前馈电流解耦，得到所述匹配变压器副边电压电流正序负序分量控制指令
Figure FDA00038914562400000412
和
Figure FDA00038914562400000413
Figure FDA00038914562400000414
Figure FDA00038914562400000415
式中，KiP和KiI分别表示子模块三相整流电路电流内环PI控制器的比例系数和积分系数，s表示拉普拉斯变换中的微分因子，
Figure FDA0003891456240000051
表示积分环节；
A3、根据步骤A203中子模块三相整流电路交流侧端口电压正序负序分量控制指令
Figure FDA0003891456240000052
Figure FDA0003891456240000053
的表达式，提取所述匹配变压器副边电压电流的正序分量和负序分量对所述匹配变压器副边电压电流正序、负序分量分别进行控制，完成三相整流电路电压不平衡控制；所述步骤A3包括以下步骤：
A301、将所述匹配变压器副边三相电压电流在两相静止αβ坐标系中表达：
Figure FDA0003891456240000054
Figure FDA0003891456240000055
式中，eα(t)和eβ(t)分别表示匹配变压器副边三相电压在α轴和β轴上的瞬时值，egp和egn分别表示匹配变压器副边三相电压正序和负序分量的峰值，iα(t)和iβ(t)分别表示匹配变压器副边三相电流在α轴和β轴上的瞬时值，igp和ign分别表示匹配变压器副边三相电流正序和负序分量的峰值，θp和θn分别表示匹配变压器副边三相电压电流正序和负序分量在两相静止αβ坐标系中的相位初始角；
A302、根据所述匹配变压器副边三相电压电流在两相静止αβ坐标系中的表达式，将α轴和β轴上电压瞬时值延迟1/4周期并进行反变换，分别计算得到匹配变压器副边三相电压在两相静止αβ坐标系中的正序分量和负序分量：
Figure FDA0003891456240000056
Figure FDA0003891456240000061
其中，
Figure FDA0003891456240000062
和
Figure FDA0003891456240000063
分别表示匹配变压器副边三相电压在两相静止αβ坐标系中α轴上的正序分量、β轴上的正序分量、α轴上的负序分量和β轴上的负序分量，
Figure FDA0003891456240000064
和
Figure FDA0003891456240000065
分别表示子模块三相整流电路的输入电流在两相静止αβ坐标系中α轴上的正序分量、β轴上的正序分量、α轴上的负序分量和β轴上的负序分量，eα(t)、eβ(t)、
Figure FDA0003891456240000066
和
Figure FDA0003891456240000067
分别表示匹配变压器副边三相电压在α轴上的瞬时值、β轴上的瞬时值、α轴上延时四分之一周期时刻的瞬时值和β轴上延时四分之一周期时刻的瞬时值，iα(t)、iβ(t)、
Figure FDA0003891456240000068
和
Figure FDA0003891456240000069
分别表示匹配变压器副边三相电流在α轴上的瞬时值、β轴上的瞬时值、α轴上延时四分之一周期时刻的瞬时值和β轴上延时四分之一周期时刻的瞬时值；
A303、将两相静止αβ坐标系中的正序负序分量转换到两相旋转dq坐标系中得到
Figure FDA00038914562400000610
Figure FDA00038914562400000611
和
Figure FDA00038914562400000612
将其带入步骤A203的正序负序电压指令表达式中，并结合PI控制器可合成子模块三相整流电路交流侧端口电压在两相旋转dq坐标系中的指令值
Figure FDA00038914562400000613
Figure FDA00038914562400000614
其中匹配变压器副边电压电流的正序负序分量在两相旋转dq坐标系中的表达式为：
Figure FDA00038914562400000615
Figure FDA00038914562400000616
Figure FDA00038914562400000617
式中，Cαβ-dq表示从两相静止αβ坐标系到两相旋转dq坐标系的变换矩阵；
A304、将子模块三相整流电路交流侧端口电压在两相旋转dq坐标系中的指令值
Figure FDA00038914562400000618
和
Figure FDA0003891456240000071
分别转换到三相旋转abc坐标系中得到脉冲宽度调制的调制信号
Figure FDA0003891456240000072
和
Figure FDA0003891456240000073
由调制信号和脉冲宽度调制得到子模块三相整流电路各个绝缘栅双极型晶体管的开关信号，由该开关信号控制子模块三相整流电路的绝缘栅双极型晶体管的导通或关断，完成三相整流电路电压不平衡控制，其中，子模块三相整流电路交流侧端口电压指令在三相旋转abc坐标系中的表达式为：
Figure FDA0003891456240000074
Figure FDA0003891456240000075
2.一种既有牵引变压器的贯通柔性牵引变电所的保护配置方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在断路器QF5处设置方向检测元件，并通过断路器QF5处方向检测元件判断故障在接触网侧还是母线侧，若在接触网，则进入步骤S2，若在母线侧，则进入步骤S3；
S2、在贯通柔性牵引变电所的馈线处设置距离保护作为主保护，设置低压启动的过电流保护和电流增量保护作为后备保护，以及设置电流速断作为辅助保护；
S3、在贯通柔性牵引变电所27.5kV母线处设置母线差动保护；
S4、在电子式牵引变压器处设置有功功率差动保护；
S5、在三相整流电路输入侧设置过电流保护和缺相保护，在三相整流电路直流侧设置过压保护和欠压保护，在各子模块处设置温度保护以及在三相-单相变流器的单相级联输出侧设置过电流保护，实现三相-单相变流器在子模块故障下的自愈重构；
S6、在贯通柔性牵引变电所的匹配变压器设置过电流保护作为主保护，设置温度保护和负序电流保护作为后备保护；
S7、针对贯通柔性牵引变电所正常工作时，在既有牵引变压器的保护配置中上加入负序过电流保护，并修改既有牵引变压器的各保护整定值，通过计算各子模块输入电流之和，并根据匹配变压器原副边电流关系，计算得到牵引变压器的负序电流值，在负序电流值大于负序电流整定值时，利用断路器QF5、断路器QF6和断路器QF8执行牵引变压器负序过电流保护动作，针对匹配变压器和三相-单相变流器退出运行且由牵引变压器向牵引网的两个供电臂提供电能时，在牵引变压器的保护配置中取消负序过流保护，并将保护配置既有牵引变压器各保护整定值修改为传统参数，完成对贯通柔性牵引变电所的保护配置。
3.根据权利要求2所述的既有牵引变压器的贯通柔性牵引变电所的保护配置方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：
S201、在贯通柔性牵引变电所的馈线保护安装位置设置电压电流互感器、并利用电压电流互感器测量馈线处的电压电流；
S202、根据馈线处的电压电流，计算得到测量阻抗值，并判断阻抗值是否小于阻抗整定值，若是，则进入步骤S203，否则，进入步骤S204；
S203、执行距离保护动作，若距离保护拒动，且满足低压与大电流判定时，执行低压启动的过电流保护动作，并进入步骤S205；
S204、针对在大电阻接地时，若阻抗值大于距离保护阻抗整定值，且故障电流小于过电流保护过电流整定值时，距离保护与低压启动的过电流保护不动作，执行电流增量保护动作，且当断路器QF5接触网侧出口处金属性短路时，短路电流达到电流速断保护电流速断保护整定值，执行电流速断保护动作，并进入步骤S205；
S205、分别在断路器QF9和断路器QF10处设置方向检测元件，并根据方向检测元件确定判定故障发生方向；
S206、根据所述故障发生方向，利用光缆通信通道进行信息交流，确定故障发生区段，完成贯通柔性牵引变电所馈线处的保护配置，并进入步骤S3。
4.根据权利要求3所述的既有牵引变压器的贯通柔性牵引变电所的保护配置方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：
S301、将贯通柔性牵引变电所馈线的电流互感器与三相-单相变流器级联输出侧的电流互感器同名端均设置在母线侧；
S302、将贯通柔性牵引变电所馈线和三相-单相变流器两处的电流互感器并联接入差动保护装置，并确定贯通柔性牵引变电所馈线及三相-单相变流器输出侧电流量之和；
S303、根据所述侧电流量之和判断母线是否发生故障，若是，则差动电流大于差动电流整定值，利用断路器QF5和断路器QF8执行母线差动保护，完成贯通柔性牵引变电所27.5kV母线的保护配置。
5.根据权利要求4所述的既有牵引变压器的贯通柔性牵引变电所的保护配置方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下步骤：
S401、通过匹配变压器输入侧与级联逆变器输出侧电压电流互感器，检测电压电流值，计算输入输出有功功率并做差；
S402、根据所述有功功率之差判断电子式牵引变压器是否发生故障，若差动功率大于差动功率整定值，则利用断路器QF6、QF8执行有功功率差动保护，切除电子式牵引变压器内部故障。
6.根据权利要求5所述的既有牵引变压器的贯通柔性牵引变电所的保护配置方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下步骤：
S501、在各子模块输入侧设置电流传感器，在各子模块直流侧设置电压传感器，在各子模块内设置温度传感器，在三相-单相变流器级联输入侧设置电流传感器；
S502、针对子模块输入侧电流大于过电流保护过电流整定值时，判断为短路故障，执行负序过电流保护动作于三相-单相变流器驱动脉冲封锁，断开断路器QF6和断路器QF8；
S503、针对检测三相整流电路输入侧三相电压为缺相时，执行缺相保护动作运行于报警，若报警时间超过时间整定值时，执行缺相保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应子模块的旁边开关，实现三相-单相变流器自愈重构；
S504、针对检测三相整流电路直流侧电压大于过压整定值或小于欠压整定值，执行过压保护或欠压保护；其中，过压保护设置两段保护，针对在直流侧电压大于第一段过电压整定值时，过压保护动作于报警，若报警时间大于时间整定值时，过压保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应子模块的旁边开关，实现三相-单相变流器自愈重构；针对在直流侧电压大于直流侧电压最大限值即第二段过电压整定值时，过压保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应子模块的旁边开关，实现三相-单相变流器自愈重构；针对在三相整流电路直流侧电压低于欠压整定值时，执行保护动作于报警，若报警时间超过时间整定值，则执行欠压保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应子模块的旁边开关，实现三相-单相变流器自愈重构；
S505、针对子模块散热器温度大于温度整定值，执行温度保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应子模块的旁边开关，实现三相-单相变流器自愈重构；
S506、针对级联输出侧电流大于过电流整定值时，为短路故障，在级联逆变器输出侧执行过电流保护动作于变流器脉冲封锁，断开断路器QF8。
7.根据权利要求6所述的既有牵引变压器的贯通柔性牵引变电所的保护配置方法，其特征在于，所述步骤S6包括以下步骤：
S601、在匹配变压器高压侧设置电流互感器，在匹配变压器气隙处设置温度传感器，利用电流互感器测量高压侧电流，并计算其负序电流值；
S602、针对负序电流值大于负序电流整定值时，利用断路器QF6和断路器QF8执行负序过电流保护动作；
S603、针对发生相间短路与接地短路故障且过电流保护拒动，在发生两相相间短路时，利用断路器QF6和断路器QF8执行负序过电流保护动作；
S604、针对温度传感器测量值大于温度报警值时，执行温度保护并报警；
S605、针对温度传感器测量值大于阈值时，执行温度保护动作于跳闸，断开断路器QF6和断路器QF8。
CN202111575606.4A 2021-12-21 2021-12-21 既有牵引变压器的贯通柔性牵引变电所及其保护配置方法 Active CN114447972B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111575606.4A CN114447972B (zh) 2021-12-21 2021-12-21 既有牵引变压器的贯通柔性牵引变电所及其保护配置方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111575606.4A CN114447972B (zh) 2021-12-21 2021-12-21 既有牵引变压器的贯通柔性牵引变电所及其保护配置方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114447972A CN114447972A (zh) 2022-05-06
CN114447972B true CN114447972B (zh) 2022-11-22

Family

ID=81363439

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111575606.4A Active CN114447972B (zh) 2021-12-21 2021-12-21 既有牵引变压器的贯通柔性牵引变电所及其保护配置方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114447972B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116995646B (zh) * 2023-05-30 2024-02-06 西南交通大学 一种柔性牵引变电所的故障自愈控制方法
CN116890709B (zh) * 2023-05-30 2024-03-12 西南交通大学 一种柔性牵引变电所过渡改造结构的控制方法
CN116683519B (zh) * 2023-05-30 2024-02-13 西南交通大学 一种用于柔性牵引供电系统的优化运行控制方法
CN116683548B (zh) * 2023-05-30 2024-02-06 西南交通大学 基于mmc的柔性直流牵引供电综合协调控制方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3028683A1 (fr) * 2014-11-17 2016-05-20 Lohr Electromecanique Procede de recharge de moyens d'accumulation d'energie equipant un vehicule electrique ou hybride
CN110112754A (zh) * 2019-04-24 2019-08-09 成都尚华电气有限公司 一种电气化铁路同相牵引供电系统及其控制方法
CN111446866A (zh) * 2019-12-30 2020-07-24 中铁电气化局集团有限公司 基于平衡变压器和四端口mmc的贯通同相牵引供电系统
CN112885581A (zh) * 2021-03-01 2021-06-01 中国铁路设计集团有限公司 一种柔性牵引变压器结构
CN113224762A (zh) * 2021-05-28 2021-08-06 西南交通大学 一种长距离贯通柔性牵引供电系统及其优化控制方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107953803B (zh) * 2017-12-25 2023-04-18 西南交通大学 一种中压柔性直流牵引供电系统及其控制方法
CN112332382B (zh) * 2020-09-28 2023-01-10 中铁电气化勘测设计研究院有限公司 一种基于柔性牵引网的继电保护方法及系统

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3028683A1 (fr) * 2014-11-17 2016-05-20 Lohr Electromecanique Procede de recharge de moyens d'accumulation d'energie equipant un vehicule electrique ou hybride
CN110112754A (zh) * 2019-04-24 2019-08-09 成都尚华电气有限公司 一种电气化铁路同相牵引供电系统及其控制方法
CN111446866A (zh) * 2019-12-30 2020-07-24 中铁电气化局集团有限公司 基于平衡变压器和四端口mmc的贯通同相牵引供电系统
CN112885581A (zh) * 2021-03-01 2021-06-01 中国铁路设计集团有限公司 一种柔性牵引变压器结构
CN113224762A (zh) * 2021-05-28 2021-08-06 西南交通大学 一种长距离贯通柔性牵引供电系统及其优化控制方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YUPEI WAN .Research_on_Fault_Diagnosis_and_Reconfiguration_Strategy_of_Single-Phase_Three-Level_Cascaded_Inverter.《2021 IEEE 16th Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA)》.2021,全文. *
电气化铁路综合补偿器控制策略研究;何晓琼;《铁道学报》;20200930;全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114447972A (zh) 2022-05-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN114447972B (zh) 既有牵引变压器的贯通柔性牵引变电所及其保护配置方法
CN107069679B (zh) 一种对称双极mmc直流侧单极接地故障穿越和恢复方法
Li et al. Nanao multi-terminal VSC-HVDC project for integrating large-scale wind generation
CN104078909B (zh) 一种电压源型直流融冰兼静止同步补偿装置及其控制方法
CN103915808B (zh) 基于电压源型换流器的直流融冰装置及其控制方法
CN109038658B (zh) 远海风电柔性直流送出系统及陆上交流单相接地故障穿越方法
Wang et al. Control and protection sequence for recovery and reconfiguration of an offshore integrated MMC multi-terminal HVDC system under DC faults
CN106655237A (zh) 多端柔性高压直流输电系统直流单极接地的故障穿越方法
CN111327216B (zh) 一种电阻型子模块混合mmc及其直流故障处理策略
CN111446866B (zh) 基于平衡变压器和四端口mmc的贯通同相牵引供电系统
CN111224569B (zh) 一种低全桥比例子模块混合型mmc及其直流故障处理策略
CN111799751B (zh) 一种柔性控制器直流单元故障电流计算方法及系统
CN110474307B (zh) 基于电流暂降检测的自适应故障分量电流差动保护方法
CN110071485B (zh) 一种适用于多端柔性变电站的保护配置方法
CN110034546B (zh) 逆变器与发电机并联供电的低压交流配电网短路保护方法
CN114498577B (zh) 一种贯通柔性牵引变电所结构及其保护配置方法
CN114498576B (zh) 一种基于mmc的贯通柔性牵引变电所及其保护配置方法
CN112152250A (zh) 考虑桥臂电流抑制的柔性直流故障电流联合限制方法
CN109950916B (zh) 基于混合型阻抗的upfc故障渡越方法
Chen et al. Harmonic components based protection strategy for inverter-interfaced AC microgrid
CN114498718A (zh) 一种柔性牵引变电所及其控制方法
Chen et al. Modelling and simulation of new traction power supply system in electrified railway
CN209627231U (zh) 一种高压变频器制动电路拓扑结构
CN111273192B (zh) 一种柔性直流输电系统换流器故障后备保护方法及装置
CN114421457B (zh) 一种基于高降压比变压器的贯通柔性牵引变电所

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant